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李淼给孩子的量子力学科普 延伸阅读 （一） 1 粒子是波这个说法是不完全对的，应该说粒子还是粒子，只是在我们看它之前，我们不确定它在哪里。而这个不确定性是由波动的性质得出的，就是说不确定性有高有低，就像波谷和波峰，所以这个不确定性的性质是波，而不是说粒子本身就是波。 2 在我们测量光子之前，它是不确定的，它的不确定性按照波的方式呈现。当大量的光子聚在一起形成一个经典的对象时，它的不确定性就变成确定性了，这个确定性由波来组成，这个波就是经典的波，像水面的波动那样。我们通常说电磁波，原因就在于此，科学家是先发现电磁波，后发现光子的。当然，科学家同样也先发现了光是波的，尽管很早之前，牛顿说过光是由粒子组成的，不过牛顿眼中组成光的粒子和爱因斯坦眼中的光子是不一样的。牛顿所说的组成光的粒子和很小的石块没有区别，而爱因斯坦眼中的光子除了携带能量和动量，与石头没有任何相同之处。 3 当电子和原子核形成原子的时候，电子是可以存在于原子之外的，只不过到了原子外面，我们找到电子的可能性就变得很小。 4 X射线也是电磁波，组成它的也是光子。我们不能说一个光子有多大，只能说它的不确定性，它的不确定性应当在一万亿分之一米到一亿分之一米之间。它的能量在万分之一电子能量到一个电子能量之间。 5γ射线的能量要高于一个电子的能量，大量地照射γ射线是可以致命的。但是少量照射一下是没有事的。 6 只要一个粒子存在于宇宙里面，它就永远是不确定的。它的不确定性正如我们前面所讲的，跟它的质量成反比，质量越大，它的不确定性越小。我们人的不确定性非常小，完全可以忽略。 7 细胞由大量的原子组成，最小细胞的尺寸也要比原子大一万倍，所以细胞的不确定性很小。也许等到我们做出纳米机器人的时候，就可以一个一个地定位并杀死癌细胞，因为癌细胞是经典的，我们可以精确地定位它。 8 “薛定谔的猫”原则上是可以存在的，但是存在的条件非常苛刻，所以不可能存在于实际生活中，如果这个“薛定谔的猫”暴露在空气之下，那么它非死即活。这种现象涉及量子力学的另外一个重要概念，就是退相干性，只要一个量子物体跟周围的环境发生相互作用，它就很难处在一个精确的量子态中。 9 当一个原子处于一个简单的原子状态时，它是不确定的。但是如果一个原子成长为一个很大的分子，那它就变成一个经典物体了，它就很确定了。一个物体能量越大，它的位置的不确定性就越小。 10 量子论和相对论是20世纪物理学的两大支柱。爱因斯坦完成了两项伟大的事业：一是提出了狭义相对论，这个理论与量子力学完全没有矛盾；二是提出了广义相对论，这个理论包含了万有引力。当人们试图将量子力学用在万有引力上面时，就出现了无法解决的矛盾。科学家至今还在寻找可以完全解决这个矛盾的理论。 11 量子这个概念是普朗克引进的，按照他的理解，量子就是光里面的那些能量，一份一份的能量。后来，爱因斯坦发现，这一份一份的量子其实就是光子。现在量子的含义则更加复杂，不再是一份一份的能量，所有跟量子力学有关的东西都可能被叫作量子。 12 正因为电子、原子是不确定的，我们的椅子、桌子、沙发才不至于突然坍塌，我们在下一讲中会仔细解释。 13 原子核里面发生物理变化的时候，产生的能量比原子发生变化时产生的能量要大很多，这也和不确定性原理有关，原子核越小，能量就越大。因为原子核比原子小十万倍，所以能量就会大十万倍。也就是说，核能比化学能大十万倍。原子弹就是利用核能制造的，跟原子核有关，跟原子本身没有关系。 14 人是由原子组成的，不是由量子组成的。但原子是遵从量子力学的，量子本身不是一个物体，量子只是一个说法，正如我前面所说的，它本来是光里面的一份一份的能量。后来量子变成一个概念，所有遵从量子力学的东西都被叫作量子了。 我们知道的地球上的所有东西都是由原子构成的，人当然也是由原子构成的。 15 有一件事很重要，就是仅仅用碳原子就可以构造不同的物体。比如金刚石，也就是钻石，是由碳构成的。铅笔芯也是由碳构成的，它们构成的方式不一样。还有很多其他我们在日常生活中见到的，由碳元素构成的不同的物体。 16 不同原子之间的相互作用力是不一样的，其实它们都是由电磁力导致的。 17 根据相对论，质量和能量是一回事。 18 在原子里面，所谓电子的跳跃，是从能量高的地方向能量低的地方跳跃。根据能量守恒定律，电子在跳跃的过程中得辐射光子。如果从能量低的地方向能量高的地方跳，同样，根据能量守恒定律，它必须吸收光子。 19 整个宇宙充满了能量，除了能量没有别的东西，只不过能量的形式不一样，有的呈现为电子，有的呈现为原子，有的呈现为光子，有的甚至呈现为暗物质或暗能量。 20 在相对论里我们会有不同的质量定义，有时把一个物体静止时的能量叫作质量，有时我们把物体运动的整个能量叫作质量，这两个质量的概念是不一样的。 21 根据相对论，光速是最高的速度，引力波也是以光速传播的。 22 量子力学的意义有很多。第一，它能帮助我们正确认识世界运行的规律和方式。第二，它有很多应用，比如芯片里会用到量子力学。其实我们日常生活中到处都是量子力学，如果没有量子力学，物体就是不稳定的。 23 任何一个有质量的粒子，它的速度原则上都不能达到光速，因为达到光速时它的能量会无限大。有质量的粒子，它的速度只能慢慢地靠近光速，比如，要把一个质子加速到光速的99%，那么我需要的能量是这个质子质量的6倍以上。 24 粒子是不是无限可分的？其实，根据现代粒子物理概念，粒子不是无限可分的，它分到一定程度就只剩下一些所谓的基本粒子，这些基本粒子是不可再分的，它们都是最基本的。 （二） 1 原子中的电子是一个基本粒子，它是点状的，没有大小，所以不会爆炸；所有基本粒子在物理学中都是数学上纯粹的点，没有大小也没有长宽，因此不会爆炸。 2 火药为什么会爆炸？这是一个很好的问题。如果我们不点燃火药，它不会爆炸。火药爆炸的原因是它发生了化学反应，就是火药里的不同成分发生了反应。这些化学反应有时会产生斥力，这时候就会发生爆炸。 3 经典物理当然有用，当很多原子和分子组合在一起，这团物质被看成一整个对象的时候，它就满足经典物理学，但是经典物理学没法解释物质为什么会保持稳定。 4 泥土会塌陷是因为当泥土重到一定程度的时候，泥土中原子的斥力不足以抵抗压力，所以会塌陷。当泥土密度大到一定程度之后，也就是当你将泥土夯实到一定程度的时候，它的分子和原子之间的斥力可以排斥压力，就不会塌陷了。 5 所有物理学规律都是用实验来验证的。当一个原子掠过另一个原子时，它有可能把那个原子里的电子带走，这个带走的可能性是可以计算的，就像两对舞伴互相路过的时候有可能交换舞伴，交换的可能性也可以计算——假如我们知道这些跳舞人的心思。 6 火是一个概念，当我们看到火的时候，其实是一团物质在发光。加热物质之后，它里面原子中的电子会被激发出来，电子从原子中掉出来就会辐射光。所以火本身不是物质，火只是物质发光的一种现象。 我们通常把火向上烧的那个发光的部分看成火，其实它大部分是气体。铁也发光，我们会说铁烧红了而不说那是火，这是习惯说法。铁发光的时候跟空气发光是一模一样的。 7 每个质子和电子都有确定的重量。如果能称重量，每两个电子的重量是完全相同的，这就是费米发现的事实：所有电子都长得一模一样，没有办法区分。每两个质子的重量也是完全相同的，当然，不同元素的重量不同。氧元素与碳元素的重量是不同的，金原子与银原子的重量也不同，总之，每个不同元素的原子都有不同的重量。 8 我们可以造出一些不稳定的重原子核，特别重的元素通常是人造出来的。有时候一个很重的元素刚造出来就被毁掉了。 9 电子永远不会碰到原子核，因为电子就是围绕着原子核的一团雾。当两个原子靠近的时候，它们的电子会互相干扰对方，但不会碰到原子核。 10 电子能量高的时候可以叫成高能粒子，中微子高能的时候也是高能粒子。不同的粒子之间会发生不同的反应。电子最小（最轻），电子是基本粒子。原子核不是基本的，原子核里面有质子和中子。质子和中子也不是基本的，质子和中子是由夸克组成的。 物理学家一般认为夸克本身是基本粒子，没有大小，像电子一样。原子没有办法被切成若干份，是因为原子由原子核和电子组成，你只能把电子从原子中拿掉，然后剩下一个原子核，你没有办法把原子核切成若干份。夸克是基本粒子，像电子一样不可再分。 11 现在可以确定中微子不是暗物质，暗物质一定是我们不知道的一种粒子，或者某几种粒子。 12 我们现在通常用的加速器都是用来加速电子或质子的，因为它们都带电，不带电的粒子是没有办法被加速的。 13 中微子之间几乎没有吸引力，因此不可以用中微子组成任何物质，原子之间是有吸引力的，所以原子可以用来组成物质。 14 夸克是基本粒子，电子也是基本粒子，中微子和光子也都是基本粒子，当我们说大小的时候，指的是它们的质量，而不是尺寸，因为基本粒子都没有尺寸。 15 电子不能组成物质，因为电子都带同样的电荷，它们之间是互相排斥的，必须要将原子核和电子放在一起才能组成物质。 16 目前在加速器上可以通过碰撞的办法制造出反物质，但不能大批地生产。 17 物质积聚大到一定程度的时候，可能会塌缩成黑洞。黑洞形成之后，我们不能说出它由什么物质组成，因为只要黑洞的质量一样大，它们就长得一模一样。 18 亚原子是一个概念，我们通常将比原子小的东西叫作亚原子。原子核是亚原子，电子、中微子、基本粒子都是亚原子。 19 如果不经过剧烈的过程，通常自然界中只有比太阳大很多的物质才会塌缩成黑洞，比如，天体里面的黑洞质量都超过了10个太阳的质量。前段时间引力波发现了两个黑洞，一个是36个太阳质量，一个是29个太阳质量。 20 虫洞是一个假想的东西，也许它并不存在，只是一个物理学家想象的东西，虫洞只是一种时空形态，而不是任何物质。 21 基本粒子没有大小，这一点是很难理解的，因为它有质量，所以也就是说，它的密度是无限大的。的确，物理学家用量子力学和相对论来解释基本粒子，就得假设它没有大小，在逻辑上是这样的。 22 不确定性原理是海森堡发现的，电子在原子中的位置是不确定的。当你试图确定电子在原子中的位置时，往往这个电子已经被你打出原子，不在原子里面了。 23 普通电流，比如电线里面的电流，由运动的电子构成。这些运动的电子是怎么来的？当电子变成自由状态时，在电压的作用下，会从一个原子核跳到另外一个原子核，它们就成为运动的电子了。但半导体里面也可以由其他方式产生电流，就是少了一个电子的原子运动起来产生了电流。 （三） 1 为什么会有光子和原子？这个问题物理学家并没给出答案，我们只知道，在我们这个世界里，有光子，也有原子。有了光子，这个世界就有了颜色。光子是电磁波的最小组成部分，我们已经将电磁波应用于很多方面。有了原子，才有了地球、行星、太阳和其他很多物质，以及人类。也许在另外一个世界里没有光子和原子，只是在我们的世界里有。 2 我们的大脑是不是一个量子计算机？意识是不是量子计算的产物？这个问题下一讲会讲。如果是的话，当我们传输人类的时候，主要传输的将是我们的大脑和意识。 3 终极能源有可能是物质和反物质，但最快也要200年以后人类才能对这种能源进行利用。我的乐观估计是，人类在100年之内，大概能够实现受控热核聚变，这样的话，我们就可以在地球上造出人造小太阳。 4 如果人类的大脑是一台量子计算机，我们把一个人的大脑传输到另外一个地方去，在那个地方出现的人应当还是原来的人。因为根据量子不可克隆定理，原来的这个人会被毁灭，而他会出现在另外一个地方。 5 两束激光照在一起时，基本不会发生什么反应，它们只会对穿而过。然而，当我们把它们的亮度调到非常高的时候，两束激光也会发生反应。 6 二极管相当于一个简单的开关，三极管会放大信号。集成电路里面，放大信号的功能是非常重要的，因此三极管就很重要。 7 量子传输不可能达到时光机的效果，不可能让我们回到过去。 8 永动机是不可能实现的，不论用经典的定理还是量子的定理，都不可能实现。 9 原子核碰撞的时候，多数情况下什么都不会发生，少数情况下会发生核裂变和核聚变。受控热核聚变，是那种可以一直发生的聚变，同时它不会产生剧烈的爆炸。太阳燃烧的过程不是受控热核聚变，而是剧烈爆炸的聚变，但是太阳可以燃烧50亿年。 10 反物质和物质湮灭产生能量的效率很高，核聚变效率低一点，但是反物质非常难以制造。 11 英特尔公司的芯片制造，只是在比分子层次更高的结构上面来制造，用激光来做光刻。现在还不存在用到原子核的芯片，也许有一天我们会利用原子核来做芯片。那个时候的芯片已经不是现在的芯片，应该可以叫作量子芯片了。 12 通常，比太阳大十倍以上的恒星，燃烧到最后的时刻，热核聚变停止了，或者热核聚变支撑不了恒星巨大的万有引力，它就会不断地缩小，最后变成黑洞。 13 有人说加速器会产生微小黑洞，这有可能，只是现在还不可能。物理学家发现，如果存在高维空间，那么就有可能产生小黑洞。如果没有高维空间，就产生不了小黑洞。 14 星系是恒星的集合，因此，我们会说一个星系里面有多少恒星。我们的银河系里至少有2千亿颗恒星，其中有一多半都在发光。这些发光的恒星和我们的太阳很像。 15 在实现量子传输之前，我们不会知道被传输人的感受如何。就像我们做其他任何事情一样，比如在制造出超音速飞机之前，我们不会知道飞行员感受是怎样的。 16 量子传输应当是忠实的传输——把一个物体传到另一处， 得到的新物体和原来的一模一样。能不能改变被传输的人？应该可以，这是实现忠实传输之后下一步的事情。 17 所有的物质里面都有原子核，包括电子产品，但电子产品没有利用到原子核。 18 黑洞是没有特殊外形的，所有黑洞的外形都是由它的质量和旋转所决定的。在质量和旋转决定了以后，所有的黑洞长得都是一样的。 19 如果把我们人压缩到比原子核还小一万亿倍，就会形成一个黑洞，当然此时人已经不是什么生物了。 20 我觉得未来是一个我们无法想象的世界：第一，在200年之后，我们很可能制造出反物质飞船。第二，也许大约100年之后，我们将制造出量子计算机，也许在那之后50年左右，我们就能制造出一个指甲盖大小的量子计算机，它的运算能力是现在世界上所有的计算机加起来都达不到的。 21 我们拷贝了人的主要量子态，其结果跟人的运动状态没有关系，因为我们只是拷贝了人的大脑和肌肉的组成部分。拷贝了肌肉结构和大脑结构，基本上就把我们拷贝下来了，跟运动没有关系。就相当于你今天晚上睡觉，明天早上爬起来时肯定不一样。细节上是不一样的，但是你的肌肉、大脑的结构和组成部分还是一样的。 22 《 三体》中出现了神奇的二向箔，将太阳系吸进二维的世界，很壮观。凭借我们现有的物理学理论，还不能把任何东西降低到二维。 23 原子中间有原子核。当原子核和原子在一起的时候，原子核要么带走原子中的电子，要么会跟原子中的原子核发生反应。具体要看这个原子核离原子有多近了。 （四） 1 我倾向于认为人脑是很复杂的，而且我非常同意瑟夫对我提出的问题的回答，就是说人脑一定比我们现在发明的任何机器都要复杂。如果我们能发明量子计算机，那么人脑肯定会像量子计算机，因为自然界中只要有一种东西可以利用，我觉得人类就会将它利用起来。 2 我们经常觉得我们的决定出自自己的意志，可是有人觉得我们的决定其实是我们受环境影响做出的，这就是著名的自由意志难题。我相信我们有自由意志，因为量子力学是不确定的，也就是说我们做出的决定不一定是确定的。这非常好，这样就给我们未来的可能性提供了很多种选择。 3 我觉得人类的大脑就是一个小宇宙，甚至某种意义上比宇宙还复杂，因为它会联成一个网络，而宇宙的星系和星系之间，未必能连成一个网络。 4 人类大脑中有个丘脑。丘脑是更加原始的脑，也就是原始动物的那种脑，它能记得更加原始的情绪，如恐惧、高兴。尽管丘脑不高级，但它很重要。如果一个人走在大街上，一副天不怕地不怕的样子，我猜他十有八九是没有丘脑（开玩笑）。 5 人类的大脑有很多层次，最先进的就是大脑皮质，它进化到今天，已变得非常复杂。我问过瑟夫什么样的动物会做梦，他说并不是所有的动物都会做梦，猴子大概会做梦，但猴子的梦没有人类的梦那么复杂、那么多。 6 郭光灿预言40年以后就会有通用量子计算机，那个时候，量子计算机会像现在的智能手机一样，风靡全世界。我个人的观点认为，没有量子计算机，就没有真正的人工智能。真正的人工智能像人一样，具有情感，能够做出模糊的判断。很多事情是必须要用到量子计算机的。 7 量子计算机运行功能强大，如果我们想模拟整个宇宙，就需要用到它。它会利用所谓的量子比特，很多原子、原子核最原始的状态就是这种状态，自然界中存在很多这种东西，所以必须用到原子核、光子，而不是非常大的二极管。 8 普通计算机里的元件肯定不是量子比特，因为二极管的状态都是经典的，都是确定性的开或关。 9 人类的逻辑思维，从纯粹速度上来讲，当然赶不上天河二号。但是人类的思维方式不同于普通计算机，所以不能用纯粹的速度来比较。对普通计算机来说，你给出一个指令，它给出一个确定的结果，人类则不同，你很难判断一个人会如何回答你的指令。 10 量子计算机要想变得和人类大脑一样，可能要复杂到一定程度才行。人类大脑有860亿个神经元，所以你可以想象，需要多少量子比特才能成为一台有意识的机器。 11 如果把人的大脑看成一台量子计算机的话，我觉得整个人类社会就是一台高级量子计算机，因为它把很多台量子计算机串起来了。其实人类大脑，真的就是量子计算机，我们也制造不出其他量子计算机来了。如果要制造出功能强大的量子计算机，就要把我们人类结合起来。 12 通用量子计算机其实不用很大，只要150个量子比特，我觉得就已经很厉害了。它的特点是什么事情都可以做，不仅仅是加法或者减法。可能几十个量子比特就可以了。 13 一旦有了量子计算机，将人的意识上传就可能会实现，那时人类会不会实现永生？这是一个比改变人类基因更大的问题，它涉及伦理、道德等人类社会的各个方面。 |
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